ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่: อุปกรณ์ การเปรียบเทียบคุณสมบัติ ประโยชน์ของการใช้งาน รีวิว

2024 ผู้เขียน: Erin Ralphs | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-02-19 19:27

มีการสำรวจแนวคิดเรื่องความจุจำเพาะสูงในทศวรรษที่ 1960 แต่วันนี้มีคลื่นลูกใหม่ที่น่าสนใจในเทคโนโลยีนี้มากขึ้น เนื่องจากการผสมผสานคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเข้าด้วยกันอย่างมีเอกลักษณ์ ทุกวันนี้ บนพื้นฐานของเทคโนโลยีนี้ มีการผลิต supercapacitors และ ultracapacitors ที่หลากหลาย ซึ่งถือได้ว่าเป็นแบตเตอรี่ที่เต็มเปี่ยม แนวคิด supercapacitor ที่แสดงด้านล่างแสดงให้เห็นว่าการแข่งขันในอนาคตกับชุดแบตเตอรี่แบบเดิม (แบตเตอรี่) นั้นไม่ได้ยอดเยี่ยมนัก

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คืออะไร

โดยพื้นฐานแล้ว นี่คือแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด ซึ่งทำขึ้นในรูปของตัวเก็บประจุแบบกะทัดรัด แม้จะมีการเปรียบเทียบคร่าวๆ ของอุปกรณ์กับรุ่นทั่วไปแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ คุณสามารถเน้นถึงความแตกต่างที่ชัดเจนในขนาด และในทางปฏิบัติ ประโยชน์จะยังมาที่พื้นผิวในรูปแบบของอายุการใช้งานนานและพลังงาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง สามารถใช้ supercapacitors แทนแบตเตอรี่ได้ แม้ว่าจะมีการจองบางอย่างเนื่องจากข้อจำกัดในแง่ของการสะสมศักยภาพพลังงาน ความแตกต่างดังกล่าวยังคงเกิดขึ้นเนื่องจากความไม่สมบูรณ์ของการพัฒนาเทคโนโลยีของไอออนิก อย่างไรก็ตาม สถานการณ์กำลังเปลี่ยนแปลงภายใต้แรงกดดันของตลาดด้วยความต้องการแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้น

ออกแบบและออกแบบผลิตภัณฑ์

พื้นฐานของตัวเก็บประจุนี้ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองขั้ว ระหว่างที่วางสื่ออิเล็กโทรไลต์ตามธรรมเนียม ความแตกต่างจากแบตเตอรี่สามารถสังเกตได้ในโครงสร้างของวัสดุสำหรับการผลิตอิเล็กโทรด ซึ่งแผ่นเคลือบด้วยถ่านกัมมันต์ที่มีรูพรุน สำหรับอิเล็กโทรไลต์ สารผสมอินทรีย์และอนินทรีย์สามารถใช้ได้ในความสามารถนี้ โครงสร้างการแก้ปัญหาทางเทคนิคของฉนวนในโครงสร้างของตัวเก็บประจุยิ่งยวดก็มีความโดดเด่นเช่นกัน แทนที่จะใช้เพลตอะลูมิเนียมของแบตเตอรี่ที่มีชั้นไดอิเล็กตริก ส่วนประกอบที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าอิออนและอิเล็กทรอนิกที่เหมาะสมที่สุดจะถูกนำมาใช้ หากเรายังคงใช้แนวคิดของการใช้ supercapacitor ที่เป็นแบตเตอรี่ต่อไป คาร์บอนที่มีรูพรุนสามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ และสารละลายของกรดซัลฟิวริกสามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำไอออนิกได้ ด้วยวิธีนี้ จึงสามารถจัดให้มีชั้นการแยกประจุที่เหมาะสมที่สุดระหว่างอิเล็กโทรดโดยไม่ต้องใส่ฉนวนขนาดใหญ่เข้าไปด้วย

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลากหลาย

วันนี้ มีหลายทิศทางในการพัฒนาไอออนิก อุปกรณ์ที่น่าสังเกตและมีแนวโน้มมากที่สุดคืออุปกรณ์ประเภทต่อไปนี้:

• คาปาซิเตอร์สองชั้น. รุ่นมาตรฐานซึ่งใช้อิเล็กโทรดที่กล่าวถึงข้างต้นที่ทำจากวัสดุนำไฟฟ้า และใช้ตัวคั่นพิเศษเป็นอิเล็กโทรไลต์ การสะสมของศักย์พลังงานเกิดจากการแยกประจุบนอิเล็กโทรด
• ตัวเก็บประจุเทียม. แบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ที่ทำจาก supercapacitor ประเภทนี้อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ประสบความสำเร็จอย่างมาก เนื่องจากมีวิธีการเก็บพลังงานขั้นสูง ประการแรก หลักการของกลไกของฟาราเดย์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสะสมพลังงานในแบตเตอรี่ทั่วไปถูกเปิดใช้งาน และประการที่สอง รูปแบบพื้นฐานของปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างอิเล็กโทรดในชั้นไฟฟ้าคู่ก็ยังคงอยู่
• คาปาซิเตอร์ไฮบริด. แนวคิดระดับกลางที่รวมคุณสมบัติเชิงบวกของแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุ อุปกรณ์ดังกล่าวมักใช้อิเล็กโทรดที่ทำจากออกไซด์ผสมและพอลิเมอร์ที่เจือปน การพัฒนาต่อไปของทิศทางนี้เกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยตัวพาคาร์บอนและพอลิเมอร์นำไฟฟ้า

คุณสมบัติหลัก

วันนี้เป็นการยากที่จะพูดถึงตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของไอออนิสเตอร์ที่เป็นที่ยอมรับกันดีเพราะเทคโนโลยีได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องและปรับเพื่อปรับปรุงแหล่งกระแสไฟฟ้าเคมี แต่ถ้าเรานำข้อมูลเฉลี่ยเกี่ยวกับคุณสมบัติหลักของตัวเก็บประจุยิ่งยวด ตัวบ่งชี้เฉพาะจะมีลักษณะดังนี้:

• เวลาในการชาร์จ - 1 ถึง 10 วินาที
• จำนวนรอบการชาร์จประมาณ 1 ล้าน ซึ่งเท่ากับ 30,000 ชั่วโมง
• แรงดันในบล็อกเซลล์ - ช่วงจาก 2.3 ถึง 2.75 V.
• ความเข้มของพลังงาน - ค่ามาตรฐาน 5 Wh/kg.
• กำลัง - ประมาณ 10,000 W/กก.
• ทนทาน - สูงสุด 15 ปี
• อุณหภูมิในการทำงาน -40°C ถึง 65°C.

เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ทั่วไป

พารามิเตอร์แยกความแตกต่างหลักคืออัตราการสะสมของพลังงานและระดับการส่งคืนของประจุไฟฟ้า เนื่องจากการใช้ศักย์ไฟฟ้าสองชั้นใกล้กับตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่มีขนาดใกล้เคียงกัน พื้นที่ของพื้นผิวการทำงานของอิเล็กโทรดจะเพิ่มขึ้น นั่นคือ เราสามารถพูดถึงการรวมคุณสมบัติที่ดีที่สุดของแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุเข้าด้วยกัน หากเราเปรียบเทียบการกระจายของกระแสของแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดกับโหลด ความสม่ำเสมอของปริมาตรของกระแสที่ใช้ไปโดยทั่วไปจะเหมือนกัน แต่มีการแก้ไขสองครั้ง ในระหว่างการใช้งานแบตเตอรี่ สามารถเปลี่ยนกระแสที่ใหญ่ที่สุดไปยังองค์ประกอบที่อยู่ด้านล่างของบล็อกได้ และในกรณีของไอออนิสเตอร์ โดยหลักการแล้ว ศักย์ไฟฟ้าจะลดลงเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าต่ำ นอกจากนี้ ความแตกต่างที่สำคัญยังรวมถึงความแตกต่างในทรัพยากรการทำงาน - ตัวเก็บประจุยิ่งยวดให้บริการในเวลาประมาณ 25-30% ไม่ต้องพูดถึงอัตราที่สูงกว่าของรอบการทำงานที่ทำได้

ข้อดีของปฏิบัติการซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

หากเราพิจารณาถึงผลในเชิงบวกของการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี คุณสมบัติดังต่อไปนี้จะปรากฎอยู่ในส่วนแรก:

• ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงทำให้ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นแหล่งพลังงานระยะสั้นได้
• ความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม. แน่นอน ส่วนประกอบไฟฟ้าเคมียังคงอยู่ในการออกแบบ แต่พิษของมันลดลงอย่างต่อเนื่อง
• ความเป็นไปได้ของการใช้พลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน - ลม แสงแดด น้ำ และดิน
• ขยายโอกาสในการรวมโครงสร้างแบตเตอรี่ - ตัวอย่างเช่น สำหรับการบำรุงรักษาโรงไฟฟ้าที่ซับซ้อน เครื่องจักรไฟฟ้าไฮบริด รถยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจน ฯลฯ

ข้อดีบางประการของตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่สัมพันธ์กับตัวเก็บประจุแบบธรรมดา มีน้อย แต่ความจุขนาดใหญ่สำหรับการจัดเก็บพลังงานมีความสำคัญโดยพื้นฐาน ตามตัวบ่งชี้นี้ การดัดแปลงทั้งหมดของไอออนิกไม่สามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุในพารามิเตอร์ความจุไฟฟ้า พวกเขาชนะอย่างมั่นใจ

รีวิวเชิงบวกของตัวเก็บประจุยิ่งยวด

การทดสอบและการประยุกต์ใช้ supercapacitors บางส่วนในปัจจุบันเกิดขึ้นในหลากหลายอุตสาหกรรม ตามที่แสดงความเห็นเกี่ยวกับการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้พวกเขายืนยันคำแถลงของผู้ผลิตเกี่ยวกับค่าสูงความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัยด้านสิ่งแวดล้อม และความจุสูง สิ่งที่สำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งจากมุมมองของการเปรียบเทียบตัวเก็บประจุยิ่งยวดและแบตเตอรี่ อดีตไม่จำเป็นต้องสร้างเงื่อนไขพิเศษในระหว่างการจัดการทางกายภาพ ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากความเป็นพิษของส่วนประกอบในระดับต่ำเช่นเดียวกัน แต่ในระดับที่มากขึ้น การยศาสตร์ของการทำงานนั้นเกิดจากการปกป้องเคสในระดับสูง กล่าวคือ ผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องจัดหาอุปกรณ์พิเศษสำหรับการบำรุงรักษาตัวเก็บประจุยิ่งยวดในสภาวะที่ปิดสนิท ขนาดที่เบาและปรับให้เหมาะสมยังช่วยให้ดำเนินการบำรุงรักษาตามปกติได้ง่ายขึ้น

บทวิจารณ์เชิงลบของตัวเก็บประจุยิ่งยวด

นอกจากนี้ยังมีจุดอ่อนในตัวเก็บประจุประเภทนี้ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในทางปฏิบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผู้ใช้ชี้ไปที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ ประสิทธิภาพต่ำ และระดับแรงดันไฟฟ้าไม่เพียงพอเสมอไป ซึ่งทำให้จำเป็นต้องใช้องค์ประกอบหลายอย่างเพื่อให้บริการหน่วยผู้บริโภคเป้าหมายหนึ่งหน่วย ข้อบกพร่องเหล่านี้ป้องกันการใช้ supercapacitors แทนแบตเตอรี่ในหลายๆ ด้าน แม้ว่าในปัจจุบัน การพัฒนาเทคโนโลยีมีแนวโน้มที่จะแก้ปัญหาเหล่านี้ได้มากกว่า

อนาคตของการพัฒนาตัวเก็บประจุ

ตามที่ผู้เชี่ยวชาญและผู้พัฒนาแบตเตอรี่กล่าวว่า ในอนาคตอันใกล้นี้ ตัวเก็บประจุรุ่นใหม่จะถูกใช้ทุกที่ สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเพิ่มความจุเฉพาะของอุปกรณ์ มันคุ้มค่าเพิ่มและปรับปรุงลักษณะทางเทคนิคและโครงสร้างของตัวเก็บประจุยิ่งยวด ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับขนาดและน้ำหนัก ในเวลาเดียวกัน การทดสอบไอออนิกที่มีกำลังสูงถึง 2.5 mW ได้ถูกจัดขึ้นในวันนี้ ในอนาคต ระบบดังกล่าวสามารถใช้ในการบำรุงรักษาเครือข่ายการขนส่ง โรงงานอุตสาหกรรม และที่อยู่อาศัยได้

สรุป

แนวคิด supercapacitor ถือเป็นทางออกที่ดีที่สุดในสถานการณ์ที่มีความต้องการแหล่งจ่ายไฟในระยะสั้นพร้อมการชาร์จแบบสด ส่วนหนึ่งเป็นความขัดแย้งกับแนวคิดของแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีซึ่งมุ่งเน้นไปที่การบำรุงรักษาพลังงานในระยะยาวด้วยพารามิเตอร์บางอย่าง แต่เป็นไปได้ไหมที่จะใช้ supercapacitor แทนแบตเตอรี่ในรถยนต์ ด้วยคุณสมบัติการทำงานนี้? ด้วยความน่าจะเป็นในระดับสูง ความกังวลเกี่ยวกับรถยนต์ขั้นสูงจะใช้ตัวเก็บประจุความจุสูง แต่เฉพาะในรุ่นไฮบริดพิเศษที่รวมคุณสมบัติเชิงบวกของตัวเก็บประจุยิ่งยวดเช่นนี้และส่วนประกอบไฟฟ้าเคมีแบบดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น วันนี้มีการใช้สารละลายดังกล่าวในรูปแบบของการผสมผสานระหว่างโครงสร้างกรดตะกั่ว - เคมีไฟฟ้าและตัวเก็บประจุยิ่งยวด